– 딥러닝을 활용한 스마트폰 기반 홀로그래피 기법으로 실시간 미세먼지 계측-

 

매년 미세먼지 문제가 심각해짐에 따라 실시간으로 미세먼지를 계측할 수 있는 기술이 중요해지고 있다. 기존의 휴대용 미세먼지 측정장치는 광산란(light scattering)법을 이용하여 미세먼지의 농도와 크기분포를 측정하였다. 그러나 공기 흡입장치와 광센서 부착이 필요하여 장치가 고가이고, 측정오차가 커서 고농도 미세먼지를 측정하기 어렵다는 문제점이 있다. 최근 딥러닝을 활용하여 고농도 미세먼지를 실시간으로 간편하게 계측할 수 있는 기술이 개발되었다.

기계공학과 이상준 교수, 통합과정 김지환 씨 연구팀은 딥러닝 기법을 활용하여 공기 중이나 수중의 미세먼지를 실시간으로 측정할 수 있는 스마트폰 기반의 디지털 홀로그래픽 현미경(DHM) 장치를 개발했다. 이 연구 결과는 국제 학술지 저널 오브 해저더스 머티리얼즈(Journal of Hazardous Materials)와 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 게재됐다.

본 연구팀은 DHM 기법에 스마트폰과 딥러닝 기술을 접목하여 고농도의 미세먼지를 정확하게 계측할 수 있는 간편한 측정기법을 개발했다. 딥 오토인코더(deep autoencoder)와 회귀분석 알고리즘을 활용해 미세먼지의 홀로그래픽 스페클(speckle) 영상으로부터 미세먼지의 크기에 따른 농도 정보를 정확하게 구하였다.

이번에 개발된 기술을 활용하면, 사용하고 있는 스마트폰에 값싼 광학부품을 추가하여 고가의 기존 측정장치의 한계를 극복하고 부유 미세먼지를 실시간으로 정확하게 계측할 수 있다. 또한, 미세먼지 이외에도 미세플라스틱을 포함한 다양한 종류의 미세크기 물체의 농도와 크기분포를 측정하는 장치 개발에도 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

이상준 교수는 “현재는 소형 레이저 다이오드를 광원으로 사용하지만, 최근 연구실에서 개발한 백색광 기반의 DHM 기술을 접목하면 휴대폰에 부착하는 부대장치를 크게 줄일 수 있을 것”이라고 말했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단의 기초연구사업 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었다.

 

딥러닝을 활용한 스마트폰 기반의 미세먼지 측정장치. (A) 측정장치의 개략도. 스마트폰 기반의 (B) 공기 중 및 (C) 수중 미세먼지 측정장치 사진. (D) 딥러닝 기법의 개략도.